（环境工程专业论文）新型电袋复合除尘技术试验研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = ；= = = = = = = i = = = = = = _ i = = = = = = = = = = ； 摘要 通过查阅文献资料，对当前常用的除尘技术作了全面的总结，并对它们的优缺点 进行了细致的分析。鉴于当前对烟气排放要求越来越高的趋势，这些已有的技术已不 能适应除尘的需求。有必要开发研制一种新型、高效、切实可行的除尘技术。 本文深入探讨了旋风分离除尘、静电除尘以及布袋除尘技术的基本理论，并在理 沦分析的基础上，设计了一套静电旋风布袋除尘实验装置，对装最各运行参数作了研 究。 实验中设计研制了圆柱骨刺电极，并通过分步实验法，确定了骨刺排列密度，结 果表明该电晕极放电效果良好。运行过程中，测试了不同工况下的系统阻力损失和除 尘效率，实验数据显示：该系统在较高流量下也能取得很好的除尘效果，而且阻力损 失却相对较少，达到了预期的效果。同时，该系统还具有重现性和稳定性好的优点， 具有可行性。 最后对后继工作和需要改进的方面提出了建议。 关键词：烟气除尘电旋风静电布袋系统设计 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e rm a k e st h ec o m p r e h e n s i v es u m m a r yt ot h ec u r r e n tc o m m o n l yu s e dd e d u s t t e c h n o l o g y , a n da n a l y z e st h e i ra d v a n t a g ea n dd e f e c tc a r e f u l l yb yc o n s u l t i n g l i t e r a t u r e m a t e r i a l t h e s et e c h n o l o g i e sh a v en o tb e e na b l et oa d a p tt od e m a n do fd e d u s ti nv i e wo ft h e c u r r e n t ，t h a tt h er e q u e s to ff l u eg a sd i s c h a r g eb e c o m e sm o r ea n dm o r er i g o r o u s l y t h e r e f o r e ， i ti sn e c e s s a r yt od e v e l o pan e wd e d u s ts y s t e m ，w h i c hi sf e a s i b l e ，a n dh a sh i g h e re f f i c i e n c y t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e st h et h e o r yo fd u s tc o n t r o lo nc y c l o n es e p a r a t i n g ，e l e c t r o s t a t i c s a n d p o c k e tf i l t r a t i n g i nd e t a i l s o nt h eb a s i so ft h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，e l e c t r o s t a t i c c y c l o n e p o c k e td e d u s t o rh a sb e e nd e s i g n e d ，a n dw o r k i n gp a r a m e t e r sa r es t u d i e d c y l i n d r i c a ls p u r c o r o n ae l e c t r o d eh a sb e e nd e s i g n e da n df a b r i c a t e d ，a n du s i n g s t e p w i s et e s t s ，t h es p u rc o m p a c t n e s sh a sb e e nd e t e r m i n e d ，t h er e s u l t i n d i c a t e dt h a tt h e c o r o n ad i s c h a r g e se f f e c to ft h ee l e c t r o n i c si se x c e l l e n t i nt h ep r o c e s s ，w i n d a g el o s sa n d d u s tr e m o v a le f f i c i e n c ya r et e s t e du n d e rt h ed i f f e r e n to p e r a t i n gm o d e ，t h ed a t u md e p i c t e d t h a t ，t h es y s t e mc a na l s oo b t a i nv e r yg o o dd u s tr e m o v a le f f i c i e n c yu n d e rt h eh i l g l lc u r r e n t c a p a c i t y , b u tt h ew i n d a g el o s sw e r ef e wr e l a t i v e l y e x p e r i m e n ta c h i e v e sa n t i c i p a t e de f f e c t m e a n w h i l e ，t h i ss y s t e mh a sr e p r o d u c i b i l i t y , s t a b i l i t ya n df e a s i b i l i t y t h ea d v i c e sh a v e b e e np r e s e n t e df o rf o l l o w i n gs t u d ya n da s p e c to fi m p r o v i n g k e y w o r d s ：f l u eg a sd e d u s t e l e c t r o c y c l o n e e l e c t r o s t a t i c p o c k e ts y s t e md e s i g n i l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密日。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名别灵 1 日期国巧年i t 月心日 指导教师签名： 锄v 曼 日期：b 卯f 年1 1 月i r 日 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 随着现代科学技术的发展，有用矿物和材料的开采量越来越大，与此同时，矿山 的废石、尾矿及其他废弃物的数量也迅速增长，对环境的污染越加严重。尽管世界各 国都在致力于各种除尘设备的改进和完善，但还是有大量的粉尘排放到大气中，造成 对人体的危害【l j 。 我国钢铁工业有1 6 0 0 多家企业，是袋式除尘器的第一大用户。袋式除尘器在钢 铁工业中使用相当广泛，从矿石破碎、筛分、皮带转运、烧结、炼铁、高炉煤气、炼 钢、轧钢、铁合金冶炼、焦化、石灰、耐火材料等等，在生产过程中的各道工序，都 需要采用除尘设备。宝钢、首钢、武钢、攀钢等大型钢铁联合公司都拥有设备除尘器 2 0 0 台以上。 以上海宝钢为例，宝钢年产钢1 千多万吨，尘源点多，烟气温度高，排出的烟尘、 粉尘数量很大。为了控制粉尘、烟尘对厂区和大气环境的污染，第一期工程采用除尘 器1 0 9 台，占全厂除尘设备总数的7 0 以上，处理烟气量1 8 8 1 0 4 m 3 m i n ，总装机 容量2 8 万千瓦，整体运行效果良好。全年回收尘量4 7 5 万吨，其中直接返回生产流 水线2 4 2 万吨，造小球送烧结回用1 9 5 万吨，回收利用率为9 2 ，取得了良好的经 济效益和环境效益。宝钢一、二、三期工程环保投资达到4 3 4 亿元，配备环保设施 3 1 6 台套，环保投资占到总投资的5 。其中除尘器2 0 5 台( 不包括小单机和小机组) ， 装机滤料达到8 0 万m 2 ( 占到全国滤料年产量的1 0 左右) ，共处理风量5 5 2 2 1 0 4 m 3 m i n 。宝钢内控标准袋式除尘器排放浓度仅3 5 m g m n 3 ，最低的达到4 8m g m 。3 ， 已经达到国外发达国家的先进水平。宝钢的大气环境质量比上海市区还好，宝钢还通 过了i s 0 1 4 0 0 0 国际环境标准的认证。 2 0 0 2 年我国水泥工业的总产量超过7 亿吨，新型干法水泥的生产能力也已突破1 亿吨，新型干法水泥的生产技术装备水平己接近国际先进水平。至2 0 0 2 年底。已建 成投产的7 0 0 t d 以上规模的新型干法水泥的生产线有2 3 0 余条，目前在全面推广以 2 5 0 0 t d 和5 0 0 0 t d 级规模新型干法水泥的生产线的同时，1 0 0 0 0t d 生产线的技术装备 也在开发之中，而且在环境保护和生态等方面将达到国际先进水平。新型干法外分解 华中科技大学硕士学位论文 水泥生产工艺具有高效、优质、低耗、大型化、自动化水平高、符合环保要求的特点， 代表了世界水泥工艺的发展方向。大力发展新型干法水泥，不仅是加快水泥工业结构 调整的需要，更是实现水泥工业可持续发展的必由之路。 我国水泥工业每年向大气排放的粉尘、烟尘在1 2 0 0 万吨以上，成为我国粉尘污 染的大户；其他如：二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、氟化物的污染也占有相当的比 重。水泥生产的过程可简单地分为生料制备、烧成和水泥粉磨三个主要过程。在生产 中必须处理大量的粉体并进行高温煅烧；常温含尘气体和高温含尘烟气是水泥工业的 最主要的污染物，也是水泥工业资源没能很好利用的因数之一。水泥生产过程中的电 器设备和机械设备也由于粉尘的存在，使得寿命明显缩短，不能充分发挥效益。除尘 器作为一种高效除尘设备已被广泛应用于水泥工业的各个生产环节；随着水泥生产工 艺技术的不断进步，许多生产环节只能用除尘器才能达到生产的需要和满足国家的排 放要求；也就是说，在水泥工业现在的除尘器已不仅仅是环保设备，而是必不可少的 生产设备了。我国共有在册水泥生产企业6 0 0 0 多家，年生产能力居世界第位，但 同时给环境造成严重污染。每生产1 吨水泥，要加工3 吨物料，我国水泥工业的粉尘、 烟尘年排放量高达1 2 0 0 万吨以上。到2 0 0 0 年我国已淘汰4 4 万吨，年以下小水泥企业 4 4 0 0 家，产量约为2 亿吨。水泥工业进行结构调整，“上大改小”、注重环保已成为行 业的共识。特别是引进美国富乐袋收尘技术以后，新上的日产7 0 0 吨、1 0 0 0 吨、2 0 0 0 吨、5 0 0 0 吨及其以上的数十条生产线广泛采用美国富乐等袋收尘技术，单是气箱脉冲 袋式除尘器用量已达1 5 0 0 台以上。 近年来，我国的炼铝工业得到了长足的发展，主要采用电解法制取金属铝，其主 要设备是电解糟，生产过程中产生大量的氟化物和粉尘等有害物，是一个污染较严重 的生产工艺。例如贵卅f 铝厂和广西平果铝厂，电解槽系统风量分别为2 7 8 万m 3 h 和 2 9 1 万1 - 1 1 3 h ，入口粉尘浓度分别是3 0 5 0 m m 。3 ，分别采用1 6 8 万m 2 和2 1 7 万m 2 过滤面积的脉冲除尘器，出口浓度降到9 1 1m g m n 3 和9 3 4 m g m 。3 ，出口氟浓度分别 是o 2 2 m g m 。3 和o 8 4 m g m n 3 。采用除尘器，净化铝电解槽烟气系统，技术成熟，运 行可靠，有效地控制了烟气污染，比较彻底解决了电解槽烟气污染问题。除了铝冶炼， 重有色金属冶炼也广泛采用除尘器，效果良好。 2 华中科技大学硕士学位论文 除了上述钢铁、水泥、有色冶金工业外，机械、蓄电池、炭黑、电力、煤炭、陶 瓷、化工、化肥、医药、农药、轻工、烟草、面粉、饲料、油料加工、粮库、港口转 运、交通筑路、垃圾焚烧等二十多个行业都广泛采用了除尘器。尤其是在各种产业领 域的中小规模发生源设施上，采用除尘器更为广泛，效果良好，为我国保护大气环境， 治理粉尘、烟尘和s 0 2 、二恶英等有害气体污染做出了很大贡献。 1 1 粉尘的危害 火电厂的粉尘可分为两类，一类为原煤尘，其粒径一般小于4 5um ，它的组成与 原煤相同，主要成分是固定炭；另类为煤燃烧后产生的粉尘，称为粉煤灰，其粒径 一般介于1 1 0 0 um ，主要由s i 0 2 ，a 1 2 0 3 构成的玻璃体组成，这两者的平均含量约 占7 7 8 ，有类似火山灰的特性2 1 。 1 1 1 对人体危害 虽然人体对吸入体内的粉尘有自我防御功能，但是还是会对鼻、肺、皮肤等造成危害： 在研究中发现，被吸入的粉尘( d 4 5 “m ) 首先作用于呼吸道粘膜，早期引起鼻腔 粘膜机能亢进，毛细血管扩张，大量分泌粘液，以阻留更多的粉尘，这是人体的一种 保护性反应，久之形成肥大性鼻炎，最后由于粘膜细胞营养供应不足而致萎缩，可形 成萎缩性鼻炎。还可以引起咽炎、喉炎、支气管炎。 人体的防御机制不能有效地清除可吸入性粉尘( d 5l am ，占火电厂粉尘的 1 0 7 ) ，因此它最终沉降在肺内，与肺细胞分泌的一些胶原纤维结合，形成煤肺和煤 尘肺，两者的本质都是粉尘引起渐进性的肺纤维化，以至引起肺功能减退，轻者影响 工作，重者丧失劳动力，直至死亡。 粒径d 1 0 0um 的粉尘主要沉降在皮肤的表面，特别是人的脸部，它可作为空气 中有毒物质( 细菌、病毒、过敏物质) 的载体，可引起过敏性凉激性皮炎、耳、眼的疾 病。并且粉尘承载的一些脂溶性毒物可通过皮肤屏障到达真皮而进入血液循环，引起 人体中毒。 现已证实的其他对人体危害有粉煤灰中的铝、微量重金属元素、放射性元素都是 人体的隐形杀手，可引起老年性痴呆症，白血病等致命性疾病。 华中科技大学硕士学位论文 1 1 2 对环境、大气的危害 在火电厂排入大气的粉尘中，对于粒径d 、 湿式除尘器需耗费大量水，烟气出口温度较低，易结露，不利于烟气扩散， 且除尘产物的处理也是一个问题。 综上所述，利用单一机理的除尘器很难克服各种问题，结合两种或多种除尘器的 机理，综合它们的优点，开发一种复合式除尘器，以实现高效除尘的目的，才是除尘 研究的最好出路。 本文在原理上，将电除尘、旋风除尘、以及布袋除尘的机理有机的结合起来，对 静电旋风布袋除尘器作了试验性研究。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 2 静电旋风布袋复合除尘器的理论分析 2 1 旋风除尘的机理 2 1 1 旋风除尘器内气流与尘粒的运动 普通旋风除尘是由进气管、简体、锥体和排气管等组成，含尘气流进入除尘器后， 沿外壁由上向下做旋转运动，同时有少量气体沿径向运动到中心区域【1 4 1 。当旋转气流 的大部分到达锥体底部后，转而向上沿中心旋转，最后经排出管排出。通常将旋转向 下的外圈气体称为外涡旋，旋转向上的中心气流称为内涡旋，两者的旋转方向是相同 的。 气流作旋转运动时，尘粒在离心力作用下逐步移向外壁，到达外壁的尘粒在气流 和重力共同作用下沿壁面落入灰斗。 气流从除尘器顶部向下高速旋转时，顶部的压力下降，一部分气流带者细小的尘 粒沿筒壁旋转向上，到达顶部后，再沿排出管外壁旋转向下，最后到达排出管下端附 近被上升的内涡旋带走并从排出管外壁排出，这股旋转气流称为上涡旋。 对旋风除尘器内气流运动的测定发现，实际的气流运动是很复杂的，除了切向和 轴向运动外，还有径向运动。如在外涡旋，少量气体沿径向运动到中心区域：在内涡 旋，也存在着离心的径向运动1 5 】。 为研究方便，通常把内外涡旋气体的运动分解成为三个速度分量：切向速度、径 向速度和轴向速度。 切向速度是决定气流速度大小的主要速度分量，也是决定气流质点离心力大小的 主要因素。根据“涡流”定律，外涡旋的切向速度反比于旋转半径r 的d 次方1 6 j ， 即 v ，r ”= 常数( 2 - 1 ) 此处n 1 ，常称为涡流指数。实验表明n 值可由下式进行估算： 华中科技大学硕士学位论文 删一 1 - 0 6 7 ( d ) ”4 - ( 甜3 眨z ， 式中：d 旋风除尘器直径，m ； t 气体的温度，k 内涡旋的切向速度正比于旋转半径r ，比例常数等于气流的旋转角速度u ，即 v r = c o( 2 3 ) 因此，在内、外涡旋交界圆柱面上，气流的切向速度最大。实验测量表明，交界 圆柱面直径d o = ( 0 6 1 o ) o 。( d 。是排气管直径) 。 旋转气流的径向速度，因内、外旋流性质不同，其矢量方向不同。根据塔林登测 量的结果，可以近似认为外涡旋气流均匀地经过内、外涡旋交界圆柱面进入内涡旋， 即近似认为气流通过这个圆柱面时的平均速度就是外涡旋气流的平均径向速度v r 1 7 ， 即 v ，= 丽q ( 2 - 4 ) 式中： q 旋风除尘器处理气量，m 3 i s ； r o 和h 0 _ 一分别为交界圆柱面的半径和高度，i t i 。 关于轴向速度，与径向速度类似，视内、外涡旋而定。外涡旋的轴向速度向下， 内涡旋的轴向速度向上。在内涡旋，随着气流逐渐上升，轴向速度不断增大，在排出 管底部达到最大值。 2 1 2 旋风除尘器的压力损失 旋风除尘器的压力损失与其结构和运行条件等有关。理论计算是很困难的，主要 靠实验确定。 实验表明，旋风除尘器的压力损失a p 一般与气体入口速度的平方成正比，即 却：昙跏z 。( p a ) ( 2 5 ) 式中：d 气体的密度，k g m 3 ： v 1 气体入口速度，m s ； 华中科技大学硕士学位论文 局部阻力系数。 在缺少实验数据时，可用下式估算： f = 1 6 a d2 e ( 2 - 6 ) 式中：a 旋风除尘器进口面积，m 2 。 旋风除尘器操作运行中可以接受的压力损失一般低于2 k p a 。 2 1 3 旋风除尘器的除尘效率 国外在2 0 世纪3 0 年代初，按照类比于平流重力沉降原理提出了转圈分离理论。 2 0 年后，随着测试手段的不断完善，斯台尔曼( s t a i r m a n d ) 等人根据对旋风除尘器 流场测试结果，在分析了内部流动规律的基础上，提出了筛分理论。到1 9 7 2 年，雷 思( l e i t h ) 和利希特( l i c h t ) 类比电除尘器的分离机理，提出了湍流连续径向的分离 理论1 1 8 1 。由于理论研究取得了重大进展，使旋风除尘技术得到了较快的发展。 计算分割直径是确定除尘效率的基础。因假设条件和选用系数不同，所得计算分 割直径的公式亦不同。在旋风除尘器内，粒子的沉降主要取决于离心力f c 和向心运 动气流作用于尘粒上的阻力f d 在内外涡旋界面上，如果f c f d ，粒子在离心力推动 下移向外壁而被捕集；如果f c f d ，粒子在向心气流的带动下进入内涡旋，最后由排 出管排出；如果f c = f d ，作用在尘粒上的夕 力之和等于零，粒子在交界面上不停地旋 转。实际上由于各种随机因素的影响，处于这种平衡状态下的尘粒有5 0 的可能进入 内涡旋，也有5 0 的可能移向外壁，它的除尘效率为5 0 。此时的粒径即为除尘器的 分割直径，用d c 表示。因为f c = f d ，对于球形粒子，由斯托克斯定律1 1 9 1 得到： 詈c n 孚= 3 n 2 d c v ，( 2 - 7 ) 式子中：v 1 d 交界面处气流的切向速度，m s ；v t o 可以根据( 2 1 ) 计算； v r _ 一可由式( 2 - 4 ) 估算，则 如= 1 8 t v r r o j 协s ， d c 越小，说明除尘效果越高，性能越好。 1 3 华中科技大学硕士学位论文 当d c 确定后，可以根据雷思一利希特模式2 0 1 计算其他粒子的分级效率： 铲e x + o 0 9 3 1 x 毫“”1 沼 在工程中也常常用到以下的经验公式： 矾= 惫络 池 2 2 电晕放电及粒子荷电机理 2 2 1 电晕放电机理 电晕放电发生在电晕线或电极板和集尘板之间，如图2 - 1 所示。假如电晕电极为 负极( 通常的电除尘器中的情况) ，从金属丝表面或附近放出的电子迅速向接地极即 j 卜极运动，与气体分子发生撞击并使之离子化，结果又产生了大量电予，通常称这种 过程为雪崩过程。随着电子离开会属丝表面距离的增加，电场迅速减弱。凶为电子运 动的速度主要由电场强度决定，致使电子运动速度迅速减低到使气体分子离子化所需 要的最小速度。假如存在电负性气体，如氧气、水蒸汽和二氧化硫等，则电晕产生的 自由电子被这些气体的分子俘获并产生负离子，它们也和电子一样，向正极运动。这 些负离子和自由电子就构成了是颗粒荷电的电荷来源。自由电子能引起气体分子离子 化的区域，常称为电晕区，从电晕区至金属管表面的空间内，负离子浓度一般为1 0 1 4 1 0 1 5 个m 3 2 1 i 。 4 3 2 1 放电金属线2 电晕区3 负离子区4 金属管 图2 一l 电晕放电 电子雪崩过程产生的正离子移向放电会属丝，与金属丝表面碰撞并产生新电子。 征离子使金属丝释放新电子“再生”作用确保了电晕过程的持续进行。 在电除尘器内。许多因素影响电晕的发生和施加电压与电晕电流之间的关系( 通 1 4 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = j 1 = = = = = = ：= = ：= = 一 常称为伏安特性曲线) 【2 。开始产生电晕电流时所施加的电压常称为起始电晕电压【2 3 】， 可简要说明如下。 管式电除尘器内任一点的电场强度可表示为： f ( n ：! r _ 一 ( 2 1 1 ) r l n ( b 1 式中：r 一距电晕线中心的距离； a 电晕线半径； b 管式电除尘器的半径； v 施加于电晕线和集尘电极之间的电压。 施加的电压v 增加，电晕线附近的场强亦增大，直至电晕发生。起始电晕电压与 烟气性质和电极形状、几何尺寸等因素有关。皮克( p e e k ) 对电晕过程进行过广泛的 研究1 2 4 1 ，提出如下经验公式以计算起始电晕所需要的电场强度： e 。= 3 x 1 0 6 m ( 6 + 0 0 3 占4 u s ) ( 2 一1 2 ) 式中：6 空气相对密度，定义为j = 竺，其中t o = 2 9 8 k ，p o = 1 0 a t m ，t 和p l p o 分别为操作温度和压力； i 1 导线光滑修正系数，无因次，o 5 m 1 ，0 。对于清洁的光滑圆线，m = l ； 实际可取0 6 0 7 。 因此，在r = f l 时( 电晕电极表面上) ，起始电晕电压： v c = 3 x 1 0 6 a m ( 8 + 0 0 3a 4 万t z ) ( e 口1 ( 2 1 3 ) 可见，起始电晕电压可以通过调整电极的集合尺寸来实现。电晕线越细，起始电 晕所需要的电压越小。 负电晕极或正电晕极的电晕电流一电压曲线的一般形式如图2 - 2 所示。电流始于 某一最小电压值v o ，然后随着电压的增高电流呈抛物线形升高，直至达到击穿电压。 当电压超过击穿电压时，电晕区范围逐渐扩大致使极间空气全部电离，这种现象称为 电场击穿。电场击穿发生时，发生火花放电，电路短路，电除尘器停止工作。 华中科技大学硕士学位论文 图2 2 电晕电流一电压曲线 电晕的特性取决于许多因素，包括电极的形状、电极间距离，气体组成、压力、 温度，气流中要捕集的粉尘的浓度、粒度、比电阻以及它们在电晕极和集尘板上的沉 积等。 电压的波形对电晕特性的影响很大。在工业上广泛采用全波和半波电压，直流电 只用于实验研究和特殊情况。对于异极距1 0 1 5 c m 的电除尘器，典型的电晕电压锋 值是4 0 6 0 k v ，相应的电晕电流密度为o 1 1 0 m mm 3 ，这取决于粉尘和气体的性质 1 2 5 1 。 2 2 2 粒子荷电机理 在电除尘器中，粉尘如带有电荷，则很容易在电场力作用下，趋向电极( 包括收 尘极和电晕极) 。在水雾除尘器中，则易于与水雾结合而被除去。因此粉尘荷电将对 除尘效率的影响极为重大。在均匀的电场中某处开始一定的电离后，常导致完全的过 渡过程，建立起等离子通道，导致击穿。而在不均匀电场中则不然，即使出现许多局 部的电离和激发过程，电极之间并不击穿或导通，这一现象为电晕( c o r o n a ) 2 6 1 。当粉 尘粒子通过这一区域时，沿电场电力线方向运动的离子轰击粉尘粒子和离子的扩散， 粉尘粒子被荷上电。离子尺寸大于0 5 微米时，离子轰击其主要作用；粒子尺寸小于 0 2 微米时。离子扩散荷电起主要作用；粒子直径为0 2 0 5 微米时，两种方式都起作 片j 。在离子轰击作用下，圆形导电粒子所获得的电荷q ( 库仑) 可按下式计算： q = 3 m 2 c o e ( 2 一1 4 ) 1 6 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = ；= = = ；= = = = ；= 女= ；= = ；t = = = # = = = e 起晕电荷的电场强度( 伏米) d 质点直径( 米) o 电容率，s 胆8 8 5 x1 0 。2 ( 法拉，米) 。 在离子轰击作用下，非导体粒子所获得的电荷，可按下式计算： 口：3 j l 蒯2 e o e ( 2 1 5 ) s + 2 e 质点的相对介电常数 采用扩散荷电方法时，电荷量q ( 库仑) 由下式表示： 。：墼f 。+ 矗 已 l ( 2 一1 6 ) m 离子质量，公斤； n 起晕电荷离子的初始浓度，个米3 ； e 电子电荷，e = 1 6 1 0 9 库仑； t = 4 2 0 6 7 0 k ； n = 1 0 1 4 离子米3 上式要简化为：q = 1 0 8 d e 因此，小于o ，5 微米的粒子最大荷电量正比于直径的平方，而小于0 , 2 微米粒子 的最大荷电j 下比于粒子直径。在粉尘通过电晕区时，并不是马上荷上理论电荷，不同 直径、不同性质的粒子，其荷电时间均不同。以同直径粒子为例，其荷电过程又分为 碰撞荷电与扩散荷电。 ( 1 ) 碰撞荷电 在电晕放电空间内，除了放电电极附近外，电场强度基本上可以视为均匀的田1 。 所以，考虑粉体在电晕电场中的碰撞荷电过程，可近似地按图( 2 3 ) 所示的均匀电中存 在一个球形粒子的理想情况进行处理( 当然，实际粒子的形状是很复杂的，而且浓度 很高时，不能孤立地按单一粒子处理，必须考虑其他粒子对荷电过程的干涉作用等) 。 根据经典静电学理论，如果球形粒子的相对介电常数大于1 ，则电力线将向静电场中 的粒子集中，如图2 3 a 所示。在电晕场中，离子基本上是沿电力线运动的。所以， 沿通过球形粒子的电力线运动的离子，必定要和粒子表面碰撞，并可能附着在粒子上， 一一 1 7 华中科技大学硕士学位论文 这就是碰撞荷电的机理矧。 - 辊子瞢电蔫 i 粒子蕾电詹 倒2 - 3 粒于刷倒电力线 离子附着到粒子上时，离子电荷使粒子带电，于是进入粒子的电力线数目随时间 减少；与此同时，粒子本身的电荷又向外射出电力线，如图2 - 3 b 所示，并且粒子所发 出的电力线随粒子电荷量而增加。当粒子荷电达到某一荷量q 时，进入粒了所发出的 电量随粒予电荷量而增加。当荷电达到某一电荷量一时，进入粒子的电力线数减少为 零，这时，离子引起的粒子荷电过程停止，电荷量q 称为“最终荷电量”1 2 9 。 在这个过程中，粒子得到的电荷量q 随时间变化t 可以表示为： 驴1 2 船。南即2 壶 协 k p l 其中： 岛= 赤为真空介电常数；。a 为粒子半径： e 厂为外部电场强度；pl 为离子的电荷密度； k 为离子的迁移率：e ，一为粒子的相对介电常数。 若令：p = 熹，则上式可以表示为： 铲4 碣成矿矗。q 击 ( 2 _ 1 8 ) k p 其中：q = 4 腮。肛。口2 是最终荷电量，f = f + 晏暑是荷电时间常数 1 8 华中科技大学硕士学位论文 理论上，粒子的电荷q 达到q 需要经过无限长的时间。但实际上，当时间t = l o 。时，q 便可达到q 的9 1 ，可以认为荷电基本上结束。所以，荷电时间常数t 是表 示荷电快慢的参量。：越小，荷电速度越快。在静电除尘器的实际条件下，实用的衙 电时间1 0t 约为0 0 1 0 1 秒。但是，粉体的相对介电常数r 对q 的影并不大，因为 相对电常数er 从1 变到无穷大( 粒子为导体的情况) 时，p 只从1 变到3 。粒子的形状 不是球形时，可用等效半径计算。这时，最终获得的电荷量q 通常小于理论值。特别 是粒子为针状、板状或具有尖角时。粒子获得的电荷会通过尖处释放而失去，所以粒 子的实际荷电量比理论值会要小得多删。 ( 2 ) 扩散荷电 球形粒子在有离子的气体中浮游时，由于热运动，离子会附着在粒子上，使粒子 带电，称为扩散荷电，随着粒子不断地荷电，粒子获得的电荷便在周围形成静电场， 从而对离子产生库仑力作用，阻止离子向粒子运动。即在荷电过程中，离子一方面遵 守扩散方程，向粒子方向移动，另一方面又在静电作用下产生反向的逆流，所以实际 的扩散荷电是由这两个方面决定的。设：粒径a 远远大于平均自出程，粒子的荷电仅由 很靠近的粒子表面的粒子扩散而得到的。根据理论计算，粒子获得的电荷量q 可以表 示为： g =4 船e o a k t 而il + t 4 e o k t a v n o e 2 = q 锄 ( 2 1 9 ) 式中：k 玻尔兹曼常数：卜绝对温度；b 一电子电荷； n 厂粒子浓度； 伊：，丝离子热运动的均方根速率； v 。 瑚厂电子的质量；q ：4 z t e o a k t 电荷常数： f = 器荷电时间微 但实际上，距粒子表面较远的离子也会使粒子荷电。所以，球形粒子通过扩散荷 华中科技大学硕士学位论文 电获得的电荷量比理论值大，由粒径a 和平均自由程的比值a 决定。实验证明，在 静电除尘器的负电晕场中，不仅存在离子，而且还有电子，所以扩散荷电起着重要作 用。资料证明，对于直径大于2 um 的粒子，碰撞荷电起着主要作用，对于小于2 u m 的粒子，扩散荷电起主要作用1 3 1 i 。在实际工业用静电除尘器中，多数情况下，按重 量比计算，粒径大于2 斗m 的尘埃粒子占了大部分，并且粒径大于2 um 的粒子在静 电除尘器内部也会受到静电凝集作用集成粗大粒子，所以在一般作用f ，用碰撞荷电 方式计算粒子的带电量就行了。另外，扩散荷电式( 2 1 9 ) ，是未考虑外部电场的影响 而得到的。但在静电除尘器中，总是存在外部电场，并且该电场使粒子表面附近的平 均离子密度增大。所以，如果提高外电场值，荷电量将比理论值大得多( 约为理论值2 倍) 3 2 1 。 2 3 静电布袋除尘机理 2 3 1 传统布袋除尘的机理 根据粒子捕集的作用类型，大致可以分为惯性、拦截、重力、静电机理： ( 1 ) 拦截机理，粒予的捕集是由于粒子的一部分与障碍物表面接触。即使离开 障碍物，与障碍物之间的距离若等于粒子上的半径，那个粒子就能被障碍物捕集3 3 1 。 ( 2 ) 重力捕集机理，对大粒径、低流速是主要的捕集机理。这时重力和气流决 定了粉尘粒子的运动轨迹。 ( 3 ) 静电力捕集，当粒子和障碍物一方或是双方都带有电荷时，有外部电场就 会有力的作用。粉尘和障碍物之间由于静电力的作用而接触粘和。1 3 5 1 2 3 2 新型的静电布袋除尘器 近年来国外出现了一种将静电除尘器与向袋除尘器结合在一起新型除尘技术，即 静电布袋混合式除尘技术。有研究表明，不带电的粉尘沉积在滤袋表而为密实平整结 构，而预荷电的粉尘沉积在滤袋表而呈现松散的凹凸不平结构，这种松散结构有利于 降低气流的通过阻力。最具代表性就是美国e l e x 公司的混合式除尘器和美国g o r e 公司的混合式除尘器。其原理分别如图2 - 4 所示。e l e x 公司的混合除尘器由2 个单 元组成，莳1 单元是完整的电除尘器。后1 单元是完整的布袋除尘器。大量粉尘经过 2 0 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = 口= = = = = = = = = = = = ；= = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = 自= = 目i = = = = = = = = 一 电除尘器后剩余带静电的粉尘进入布袋除尘区，最后除尽。g o r e 公司的混合除尘器， 电除尘器和布袋除尘器处于同一单元中。9 0 的粉尘在电场中被除去，1 0 的带静电 粉尘通过多孔板阳极进入布袋与阳极板构成的收尘区域，从而得以除尽。这种结构的 优越性还在于通过多孔板的粉尘和被清灰时吹离布袋的粉尘，由于静电作用，会向极 板沉积，从而可以使过滤风速在3 5 m m i n 以上，清灰周期达2 0 m i n p 。 叱隙，| ! 棒分布孽哮世部分 舟啦气鱼 c 为 e l e x 公司的混合除尘器g o r e 公司的馄台除尘器 图2 - 4 混台式除尘器 但是，目前的静电布袋混合式除尘器只是利用电除尘器的预除尘和带电粉尘在滤 袋卜沉积松散的特点。即使是g o r e 公司采用的结构。也只利用了带电粉尘与接地阳 极之间的静电吸引力，而这个力是比较小的。如果让带电粉尘在布袋与极板之间受到 一个由布袋到极板的电场力。则可以使带电粉尘受到阴极布袋的强烈排斥，逆气流方 向向极板移动。这样滤袋的过滤速度还可以大幅度提高。此外用直板电极电除尘做预 荷电有体积过大，气速不高的缺点。可以考虑使用电旋风作为预荷电的部分，在此提 出的静电旋风布袋复合除尘器正是基于这一设想。 2 l 华中科技大学硕士学位论文 3 静电旋风布袋除尘实验装置设计 根据第二章对静电除尘，旋风除尘，布袋除尘机理的阐述，构思将静电除尘的粒 子荷电和荷电粒子在电场作用下迁移机理、旋风除尘的离心机理、布袋除尘的惯性、 拦截、重力、静电机理有机的结合起来，设计了静电旋风布袋除尘实验装置。 3 1 实验装置 实验所用的装置主要由两个部分构成：电旋风和静电布袋，如图3 - 1 所示。该装 置主体外壳采用2 m m 厚的钢板制成。 2 1 引风机2 电旋风3 静电布袋4 投料口 5 高压发生器6 臂刺电辍7 静电布袋8 进气口 图3 1 实验装置 ( 1 ) 电旋风尺寸 电旋风除尘器中的旋流方式主要可分为切流反转式、切流直流式、s z d 流动式等 三种方式。本实验根据实际情况，采用切流反转式，即含尘气流从外筒上端切向进入， 而清洁气流从内筒上方引出除尘器，如图3 - 2 所示。外简体高5 0 0 m m ，直径为3 0 0 m m ； 锥体上端直径3 0 0 m m ，下端直径1 0 0 m m ，做成锥体的目的是为了减小阻力，便于气 流反转，并且作为暂时储灰箱，收集由除尘简体壁滑下的粉尘。内筒体直径为1 6 0 m m ， 下垂高度为1 0 0 m m ，设置内简体的目的同样是为了保证产生理想的气流状态。电极 从顶部悬挂进入简体。 2 2 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = ；= ；= = = = ；目= = = = = = = = = = = = = = j i = = = = = = = = ； 图3 2 切流反转式 ( 2 ) 静电布袋尺寸 静电布袋部分的外筒体直径为3 0 0 m m ，高为3 0 0 m m ，其锥体的尺寸与电旋j x l 部 分一致。为了能够在布袋与筒壁间施加较高的电压，决定在布袋壁与外筒壁之间留 l o o m m 的空间距离。布袋直径为l o o m m ，高度为3 1 0 m m 。高压线从筒的顶部接入。 3 2 集尘极及电晕极型式选择 ( 1 ) 集尘极 集尘电极是用来捕集粉尘用的，本实验装置中的电旋风部分和静电布袋部分的外 壳采用钢板制成，本身就是一个很好的集尘极，超到了壳体与集尘电极的双重功用。 ( 2 ) 电晕极型式选择 电晕电极是静电除尘器中使气体产生电晕放电的电极。电晕线的好坏直接影响着 除尘设施的效率1 硎。现在电晕极的型式一般有：圆形线、星形线、锯齿线、芒刺线、 骨刺线等，如图3 - 3 所示。对电晕极的一般要求是：起晕电压低；电量电流大； 机械强度高等圳。 o 夺e z ：1 2 往4 圆形星形 锯齿芒刺 骨刺 图3 3 常用电晕极形状 2 3 华中科技大学硕士学位论文 电晕极的主体是电晕线，从加强电晕放电的角度来看，电晕线愈细愈好但是细 电晕线产生的电场太弱，而且机械强度低，容易折断，因而电晕极设计向粗电晕线方 向发展，这是电晕极设计发展的新方向矧。 电旋风除尘器中，高压电晕电极可以有多种布置型式1 4 0 1 ，但归纳起来主要有以下 几种： 在内筒中心布置柱或线状电极( 如图3 - 3 a ) ，其特点是结构简单，但放电性能 较差； 在内筒中心布置鱼骨刺状电极( 如图3 3 b ) ，其特点是放电性能好，但制作比 较麻烦； 在内筒中心及内外筒之间，拉紧多根钢丝汇于筒下部中心，形成锥形栅状电极 ( 如图3 3 c ) ，其特点是电场均匀，电晕效果好，但结构复杂，消耗电极线材料较多： 在内外筒之间，依旋风筒形状布置柱锥笼状电极( 如图3 - 3 d ) ，其特点是增加 了电场强度，电场均匀，但制作与固定比较麻烦，消耗电极线材料较多； 在内筒中心布置柱、线或鱼骨刺状电极，在内外筒之间另布置多根柱状电极， 形成两极区电极布置型式( 如图3 - 3 e ) ，其特点是可以实现粉尘预荷电，并增加电场 强度及电场均匀性，但安装比较麻烦，消耗电极线材料较多。 印崮炒凹 a bc u匕 图3 4 电晕极布置型式 本实验中根据自身试验条件，结合各种电晕电极的放电性能以布置型式的特点， 选用圆柱骨刺状电极( 如图3 5 所示) 及其布置方式。圆柱骨刺状电极的主体为细圆 柱，它与圆筒形集尘极构成一个容量很大的圆简形电容器。圆筒形电容器的大电容决 定了这种圆柱电晕极能产生强电场。而且骨刺尖端放电，使放电起始电压比其他各种 形式的电晕线都低，同时骨刺尖端放电能产生集中的电子和离子流，由于离子流动推 2 4 华中科技大学硕士学位论文 动空气而形成的电风能够加强粉尘的运动，可以减弱和防止粉尘浓度大时出现的电晕 封锁现象，从而提高除尘效率。 图3 5 圆柱骨刺电极 综上所述，本实验所设计的圆柱骨刺电极具有起晕电压低、电晕电流大、能产生 强电场和电风、机械强度大等许多优点。 3 3 滤袋部分 3 3 1 滤袋材料的选择 在实验中，我们希望在布袋与塔壁之间形成一均匀的强电场。这就需要滤袋的导 电性能要好，电阻要低，普通的滤料不符合这一要求，如丙纶毡表面电阻可达1x1 0 1 4 q 。因此我们选用了z l n d f j 型防静电滤料4 1 1 。它的特点是涤纶材质经过了针刺成 型处理，基布间隔中加入了导电经纱。其具体的特性参数见下表 表3 - 1 滤料性能参数 单侮面积质量厚度 断裂强力( 经向)断裂强力( 纬向) m n ，5 x 2 0 c mn 5 x 2 0 c m 5 0 01 9 51 2 0 01 6 5 8 透气度 洁净滤料 再生滤料 动态滤尘阻力 m 3 ，m 2 m i n 阻力系数阻力系数 p a 9 0 4l l 1 7 0 2 4 5 静态捕尘率动态捕尘率粉尘剥离率 摩擦荷电密度 uc ，m 9 9 99 9 9 99 4 7 2 8 摩擦电位 半衰期表面电阻 体积电阻 v o q 1 5 0 o 5 9 0 x 1 0 3 4 4 1 0 3 2 5 华中科技大学硕士学位论文 ：= = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = _ | = = = = = = = 一 3 3 2 滤袋的支撑和接电 因为本实验有接电的要求，同时滤袋的体积较小，市场上没有现成的过滤筒可供 选择。因此实验中的滤袋的内外用多层8 0 目的不锈钢网卷成筒状将滤伟包夹在中间 以起到作为支撑的作用，如图3 - 6 所示。 2 3 1 外层钢丝网2 滤布3 内层钢丝网 图3 6 滤袋示意图 钢丝网连于高压直流电的阴极上，同时将壳体接地，成为正极，形成一个从滤袋 指向塔壁的强电场。这样做的目的是，迫使从前一级电旋风中逃逸出来的易荷电，或 荷质比较高的粉尘粒子向壳体的正极板运动，防止它们聚集在滤料表面影响滤袋的清 灰效果，以希望能降低系统的过滤阻力，提高滤速，增强持续工作的能力。 3 4 实验其他设备 3 4